上帝說，要有光，這個世界上便有了光。普羅米修斯說，要有火種，于是他為人類盜來火種，受到了殘酷懲罰。可是人類不滿足地說，要有更好的光源，于是這個世界上誕生了LED。
LED全名為發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode），無論是應用于圖像顯示還是作為照明設備，如今已隨處可見。而制造出白光LED，不管是曲折的過程還是劃時代的意義，均能與普羅米修斯盜火種相媲美。
10月7日下午，瑞典皇家科學院宣布，將2014年諾貝爾物理學獎聯(lián)合授予日本科學家赤崎勇、天野浩以及任教于美國加州大學圣巴巴拉分校的美籍日裔科學家中村修二。
正是他們的通力合作、互為階梯，研制出了藍色發(fā)光二極管，才使得“生成明亮且節(jié)能的白色光源成為可能”。
從光芒黯淡走向明亮多彩
在普羅米修斯為人類取來火種之后，在愛迪生發(fā)明電燈之前，人類歷史的漫漫歲月中，照明都是借助蠟燭、油燈等火源的熱輻射光，不僅發(fā)光效率極低，發(fā)光質量也差強人意。
進入20世紀，愛迪生發(fā)明的白熾燈擔當起了人類的照明大任。之后，人類社會的電光源家族不斷推陳出新，產生了熒光燈、高強度氣體放電燈、LED燈等新成員。在“照明家族”里，LED是最年輕的“小弟”，但卻最出類拔萃。
在諾貝爾物理學獎新聞發(fā)布會上，“小弟”LED交出了一份漂亮的成績單：它最近創(chuàng)造的實驗室紀錄為303流明/瓦，發(fā)光效率為普通燈泡的30倍。
然而，它剛“出生”時，卻光芒黯淡，差點被人類放棄。
暨南大學理工學院教授、中國白光LED可見光通信創(chuàng)始人陳長纓介紹，LED的發(fā)光原理其實很簡單。發(fā)光二極管由半導體芯片組成，這些半導體材料預先通過注入或摻雜等工藝產生了n、p兩極。在n極這一端，帶負電的電子是自由的，而在p極這端，帶正電的空穴是自由的。加上正向電壓后，電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（陰極），在n、p兩極的交界處，電子與空穴“湮滅”，釋放出的能量就以光的形式發(fā)射出來。
1907年，科學家第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用，研究被摒棄了。20世紀20年代晚期，科學家使用鋅硫化物與銅中提煉的黃磷發(fā)光，卻再一次因為發(fā)光黯淡而停止。
20世紀50年代，英國科學家在電致發(fā)光的實驗中使用半導體砷化鎵，發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用LED僅僅能發(fā)出不可見的紅外光，但卻迅速應用于傳感與通信領域。
20世紀60年代末，通過在砷化鎵基體上使用磷化物，第一個紅光LED問世。20世紀70年代中期，以磷化鎵為半導體芯片的綠光LED被研制出。而采用雙層磷化鎵芯片（一個是紅色一個是綠色）的LED能發(fā)出黃色光。俄國科學家也利用金剛砂（碳化硅）制造出發(fā)出黃光的LED。通過工藝改進，這些顏色的LED燈光也變得越來越明亮。
他們取來了藍光的“火種”
紅綠黃的LED都陸續(xù)被發(fā)明，但藍光LED卻遲遲沒有進展。沒有藍光LED，便無法制造出白光LED，LED照明的功能便不存在。
陳長纓告訴南方日報記者，其實，比起照明的需求，人們爭相研究藍光LED最原始的動力來自于電子圖像顯示。集齊紅綠藍三原色的LED就能在電子顯示屏上配出千萬種顏色。雖然紅綠兩色LED已經發(fā)明，但因為獨獨缺了藍光LED，在半導體領域包含所有顏色的全彩顯示也就無從談起。
以往的晶體材料和工藝都沒辦法產生能量更高的藍光，需要尋找新的半導體材料。
“這種材料其實已經準備好了。”陳長纓介紹，這種能激發(fā)更高能量的材料就是氮化鎵。
但問題是怎樣把它做成半導體材料。“以前的半導體發(fā)光材料很容易就能形成純正的單晶，做出大塊的晶體。但氮化鎵天生就難以生長出整塊單晶。”陳長纓說。
當時日本的各研究所和公司都在進行著研制氮化鎵晶體的競賽。1986年，日本科學家赤崎勇和他的學生天野浩成功生長出透明、沒有表面崩裂的氮化鎵薄膜。
稍后，赤崎勇等人又進一步改善了氮化鎵薄膜的工藝，生長出的氮化鎵薄膜具有完美的晶格排列。1989年，天野浩等利用低能電子輻照，使用了鎂摻雜和金屬有機物化學氣相沉積生長技術，獲得了低阻P型氮化鎵。
1992年，中村修二在日本日亞化學公司工作，主要開發(fā)磷化鎵、砷化鎵等LED材料。他以不同于天野浩的工藝研制出了低阻P型氮化鎵，還生長出了銦鎵化氮的薄膜，這種薄膜通過調節(jié)銦的摻入，能夠激發(fā)出從綠光到紫外光范圍內的不同波長的光。
1993年，中村修二展示出了第一顆使用銦鎵化氮/氮化鎵材料系統(tǒng)的藍光LED。因制作出第一顆藍光LED及藍光LD，他被譽為“藍光LED之父”。
在藍光LED的基礎上，日亞公司進一步在藍光LED晶片上覆蓋黃綠光熒光粉。藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃綠光，黃綠光再和剩余的藍光進一步合成白光。白光LED由此誕生。
陳長纓介紹，白熾燈電能轉化為光能的轉化率僅為1%—2%，而LED的電光轉換效率理論上超過50%。它需要的電壓很低，幾個伏特就能發(fā)光。更值得一提的是，LED壽命高達10萬小時，一盞LED燈能做到點亮10年以上。
“沒有藍光LED的發(fā)明，中國整個LED產業(yè)就不可能存在。諾貝爾獎頒給能夠深刻改變人類生活的偉大發(fā)明，是評獎的應有之義。”陳長纓說。
